第7章 振荡器及波形产生电路

1、2020/7/4,1,第7章振荡器及波形产生电路,2020/7/4,2,本章基本要求,掌握正弦波振荡器的振荡条件、电路组成、工作原理及分析方法；RC正弦波振荡器、LC反馈式正弦波振荡器、LC三点式正弦波振荡器以及石英晶体振荡器的电路组成、选频特性、振荡频率及特点等；了解非正弦波振荡器的电路组成及工作原理。,2020/7/4,3,信号发生器按产生的波形特点可分为,信号发生器常称为振荡器,正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的。,2020/7/4,4,7.1正弦波振荡器的振荡条件,从电路结构上看，振荡器是一种不需要外加输入信号带选频网络的正反馈放大器。振荡器按照振荡频率的高低可分为低频振荡器和高

2、频振荡器；根据选频网络的不同，可分为RC振荡器，LC振荡器，石英晶体振荡器；按产生的波形不同可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。,2020/7/4,5,7.1.1振荡器的平衡振荡,1产生正弦波自激振荡的平衡条件,由图7-0可得,2020/7/4,6,7.1.1振荡器的平衡振荡,则可以产生自激振荡,2020/7/4,7,振荡器的平衡振荡条件,知电路产生自激振荡的平衡条件为,2020/7/4,8,7.1.2振荡器的起振条件和稳幅,当振荡器稳定工作时，,振荡器的起振条件为：,2020/7/4,9,振荡的建立与稳定,A,反馈特性,幅度特性,F太小,自激振荡电路的建立过程（线性反馈）,2020/7/4,

3、10,幅度特性,B,幅度特性,非线性反馈,非线性反馈,2020/7/4,11,7.1.3振荡器的组成及分析1振荡器的基本组成,放大环节,正反馈网络,选频网络,稳幅环节,2020/7/4,12,2.振荡器的分析,一般步骤为：,（1）检查振荡器是否具有振荡器的几个基本环节，即是否有放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节（选频网络常和正反馈网络合而为一，有些振荡器没有单独的稳幅部分）。,（2）检查放大电路是否具有合适的静态工作点。,（3）判断振荡器是否满足正反馈自激振荡的相位平衡条件。,（4）判断振荡器是否满足幅值的起振条件和平衡条件，并由此确定相关的放大电路和反馈网络的参数。,2020/7/4,

4、13,7.2RC正弦波振荡器,正弦波振荡器的分类,RC型振荡器,LC型振荡器,晶体振荡器,2020/7/4,14,7.2RC正弦波振荡器7.2.1.1RC串并联网络的频率特性,Z1,Z2,2020/7/4,15,Z1,Z2,当角频率较低时,2020/7/4,16,当角频率较高时,Z1,Z2,2020/7/4,17,由图7-3有：,为了方便调节振荡频率，一般取,令,2020/7/4,18,其幅频特性和相频特性分别为：,（7-7）,（7-8）,时,时,时,相频特性曲线,幅频特性曲线,2020/7/4,19,8.2.1.2RC串并联正弦波振荡器,选频网络反馈网络,放大电路,1.电路组成,2020/7

5、/4,20,2.工作原理,2020/7/4,21,稳幅措施,图7-8是利用二极管的非线性自动实现稳幅的电路。,选频网络反馈网络,限幅网络,【例7-1】链接,2020/7/4,22,7.2.2移相式RC振荡器,2020/7/4,23,在图7-10中，第三级RC网络的电阻是放大器的输入电阻。,通常取,由相位平衡条件和幅值平衡条件推得：,2020/7/4,24,7.2.3双T选频网络RC振荡器,双T选频网络RC振荡器电路原理图如图7-11所示。,2020/7/4,25,7.3LC正弦波振荡器,7.3.1LC并联网络的频率特性,如图7-12所示是一个LC并联电路，其中r是电感和电路中其他损耗的总等效电

6、阻。,并联LC电路的等效阻抗表达式为：,2020/7/4,26,（7-12）,7.3.1LC并联网络的频率特性,2020/7/4,27,谐振时的阻抗为,2020/7/4,28,其幅频特性和相频特性分别为,2020/7/4,29,从以上分析可以得到如下几个结论,（1）并联网络具有选频特性。当电流源频率为时，达到最大值且为纯阻性；当时，值大大减小，且相角故可将频率为的正弦信号从各种谐波中选择出来。（2）电路的品质因素越大，幅频特性越尖锐，选择性越好，同时越大。故要提高选择性，可以通过降低等效电阻r或电容C、或提高电感L来实现。,2020/7/4,30,7.3.2变压器反馈式振荡器,如图7-13所示

7、为变压器反馈式正弦波振荡器。,2020/7/4,31,a.用LC并联谐振回路作为选频网络,b.主要用来产生1MHz以上的高频信号,主要特点,c.频率稳定性较好,2020/7/4,32,首先判断电路是否满足振荡的相位平衡条件。,满足相位平衡条件,断开反馈回路,2020/7/4,33,【例7-2】链接,2020/7/4,34,7.3.3电感三点式振荡器,图7-17所示是三点式振荡器的交流等效电路的一般形式，三极管的3个电极b、e、c分别接谐振回路的3个引出端。当时，集电极输出回路的阻抗为,2020/7/4,35,图7-17三点式振荡器交流等效电路,2020/7/4,36,电路谐振时，回路呈纯阻性，

8、在平衡状态下，振荡频率近似等于回路的谐振频率，即能满足,2020/7/4,37,于是可得到LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则：,(1)1与2为同性质电抗；(2)1、2与3为异性质电抗。,换句话说，与三极管发射极相连的电抗应为同性质电抗，接在B-C极之间的电抗与前者互为异性质电抗。,射同他异,2020/7/4,38,7.3.3电感三点式振荡器,2020/7/4,39,振荡电路的交流通路,2020/7/4,40,忽略R1/R2,简化的交流通路,线圈的三个端子分别与T的三个电极B、C、E相连接，故称之为电感三点式振荡电路。,2020/7/4,41,2020/7/4,42,振荡频率取决于LC并联谐

9、振回路的谐振频率,（7-23）,振荡电路的起振条件,（7-24）,电路特点,a.电感L1与L2之间耦合很紧，容易起振。,b.输出波形中含有高次谐波，波形较差。,2020/7/4,43,7.3.4电容三点式振荡器,电容三点式振荡器如图7-19所示。,电容器的三个端子分别与T的三个电极相连接，故称之为电容三点式振荡电路。,（7-25）,2020/7/4,44,交流通路,简化的交流通路,2020/7/4,45,改进型电容三点式振荡器,2020/7/4,46,振荡频率,（7-27）,电路特点：,a.容易起振；,c.输出波形中高次谐波少，波形好；,d.改变电容时，容易停振。,b.振荡频率高；,2020/

10、7/4,47,7.4石英晶体振荡器7.4.1石英晶体的基本特性,(a)各向异性,(b)具有压电效应,(1)压电效应,a.石英晶体的基本特性,2020/7/4,48,压电效应,在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。,在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。,当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。,当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。,压电谐振,2020/7/4,49,7.4.2.石英晶体的等效电路,r等效晶片振动时内部的摩擦损耗,C0两金属电极间形成的静电电容,L等效晶片振动时的惯性,C等效晶片振动时的弹性,等效电路,2020/

11、7/4,50,电路特点：,a.L很大，C和r很小；,b.Q很高，达104106；,c.频率稳定度（f/f0）很高。,3种振荡电路的频率稳定度,RC振荡器102,LC振荡103104,石英晶体振荡1091011,2020/7/4,51,忽略r的影响，图7-22(a)所示电路可得石英晶体的等效阻抗。,当ffs时，X0，电路呈容性。,当ffs时，X0，电路呈感性。,a.当12LC=0时，X=0,电路发生串联谐振,2020/7/4,52,并联谐振频率,X=,b.当j(C0+C2LCC0)=0时,电路发生并联谐振,2020/7/4,53,7.4.3石英晶体振荡器7.4.3.1并联型石英晶体振荡器,谐振频

12、率,2020/7/4,54,7.4.3.2串联型石英晶体振荡器,【例7-3】链接,2020/7/4,55,7.5非正弦波发生器,主要组成部分,(1)具有开关特性的器件（如电压比较器、BJT等）,(2)反馈网络,主要作用产生高、低电平。,主要作用将输出电压适当地反馈给开关器件使之改变输出状态。,(3)延时环节,主要作用实现延时，以获得所需要的振荡频率。,2020/7/4,56,7.5.1矩形波发生器,7.5.1.1电路组成和工作原理,矩形波发生器的电路如图7-27所示，它是由一个滞回比较器，外加RC充放电电路构成。,迟滞比较器,延迟环节,2020/7/4,57,工作原理,设初始时电容上没电荷，,

13、设t=0时,uC(0)=0,uo=+UZ,则,2020/7/4,58,uC按指数规律上升,a.当t0时,电容C充电,uo=+UZ,2020/7/4,59,b.当uCFUZ时,U+=FUZ,uo=UZ,-FUZ,+FUZ,2020/7/4,60,c.当uo=UZ时,U+=FUZ,uC按指数规律下降,电容C放电,0,+UZ,-UZ,-FUZ,+FUZ,uC充电,uC放电,2020/7/4,61,c.当uo=UZ时,U+=FUZ,0,+UZ,-UZ,-FUZ,+FUZ,uC按指数规律下降,电容C放电,uC充电,uC放电,2020/7/4,62,d.当uCFUZ时,U+=FUZ,uo=UZ,uC充电,

14、uC放电,2020/7/4,63,e.当uo=+UZ时,U+=FUZ,uC又按指数规律上升,电容C又充电,uC充电,uC放电,2020/7/4,64,uo为方波,2020/7/4,65,7.5.1.2振荡周期和频率,电容充电、放电过程可以用方程表示为,充放电时间,矩形波的周期,矩形波的频率,占空比,2020/7/4,66,7.5.1.3占空比可调的矩形波发生器,2020/7/4,67,7.5.2三角波发生器,1.电路组成,迟滞比较器,积分器,2020/7/4,68,2.工作原理,时,由叠加定理可得滞回比较器的同相端的电压为,（7-46）,2020/7/4,69,输出电压,电容C充电,uo随时间线性下降,设uC(0)=0,2020/7/4,70,得uo1翻转时的输出电压,2020/7/4,71,(3)当uB0时,电容器放电,输出电压,uo随时间线性上升,2020/7/4,72,(4)当u+0时,得uo1翻转时的输出电压,2020/7/4,73,(4)当u+0时,得uo1翻转时的输出电压,2020/7/4,74,迟滞比较器输出波形图,输出波形图,2020/7/4,75,(5)振荡频率,三角波从零上升到Uom的时间是T/4。,由图可知,故电路的振荡周期,2020/7/4,76,7.5.3锯齿波发生器